(57)【要約】  【解決課題】  光吸収層を素子表面からの深さ方向に設けた撮像素子において、実験に依らずに、所望の吸収ピーク波長を得ることができ、吸収ピークの感度を等しくさせることのできる撮像素子及びその製造方法を提供する。  【解決手段】  前記光吸収層を、波長λの光に対する吸収係数α（λ）が厳密にあるいは近似的に下記式α（λ）＝α0exp（−βλ）で表される材料で形成されるとともに、素子表面からの深さをＸとした場合に素子表面からＸ＝Ｘ0（１±γ）の領域に形成し、且つ、Ｘ0及びγの値が、所定の吸収ピーク波長λmに対して、下記式（３）を満たすことを特徴とする撮像素子。【数１５】2005265716.tif 000020【選択図】  図１
2005265716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収層を素子表面から深さ方向に有する撮像素子であって、
前記光吸収層は、
波長λの光に対する吸収係数α（λ）が、厳密にあるいは近似的に、下記式（１）で表される材料で形成されるとともに、
素子表面からの深さをＸとした場合に素子表面から下記式（２）で規定される領域に存在し、且つ、下記式（２）におけるＸ0及びγの値が、所定の吸収ピーク波長λmに対して、下記式（３）を満たすことを特徴とする撮像素子。
【数１】
2005265716.tif 000014
（式（１）において、α0及びβは、材料によって定まる定数）
【数２】
2005265716.tif 000015
（式（２）において、０＜γ≦１）
【数３】
2005265716.tif 000016
【請求項２】
前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層が素子面内に２次元状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層が積層されていることを特徴する請求項１記載の撮像素子。
【請求項４】
前記撮像素子が素子面内に２次元状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の撮像素子。
【請求項５】
赤色光、緑色光、及び青色光の波長領域に、それぞれピーク波長を有する光吸収層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の撮像素子。
【請求項６】
光吸収層を素子表面から深さ方向に有する撮像素子の製造方法であって、
波長λの光に対する吸収係数α（λ）が、厳密にあるいは近似的に、下記式（１）で表される材料を素子材料とし、
素子表面からの深さをＸとした場合に素子表面から下記式（２）によって規定される領域に光吸収層を形成するに際し、
下記式（３）に基づいて、所望の吸収ピーク波長λmを有する光吸収層を形成することを特徴とする撮像素子の製造方法。
【数４】
2005265716.tif 000017
（式（１）において、α0及びβは、材料によって定まる定数）
【数５】
2005265716.tif 000018
（式（２）において、０＜γ≦１）
【数６】
2005265716.tif 000019
【請求項７】
前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層を素子面内に２次元状に形成することを特徴とする請求項６記載の撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層を積層することを特徴する請求項６記載の撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記撮像素子を素子面内に２次元状に形成することを特徴とする請求項８記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
赤色光、緑色光、及び青色光の波長領域に、それぞれピーク波長を有する光吸収層を形成することを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載の撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子表面から深さ方向に分割された光吸収層を有する撮像素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の技術として、例えば、素子表面からの深さ方向に光吸収層を分割することで、ＣＣＤのようなカラーフィルターを用いずに、深さによる吸収波長の違いにより色を検出するカラー撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００２−５１３１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来、この種の撮像素子では、吸収ピークの感度を等しくしたり、吸収ピーク波長を所望の値に設定したりするには、実験的に決定しなければなかったため、実際には困難が伴うものであった。
そこで、本発明は、素子表面からの深さ方向に光吸収層を設けた撮像素子において、実験に依らずに、所望の吸収ピーク波長を得ることができ、吸収ピークの感度を等しくさせることのできる撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明に係る撮像素子は、光吸収層を素子表面から深さ方向に有する撮像素子であって、前記光吸収層は、波長λの光に対する吸収係数α（λ）が、厳密にあるいは近似的に、下記式（１）で表される材料で形成されるとともに、素子表面からの深さをＸとした場合に素子表面から下記式（２）で規定される領域に存在し、且つ、下記式（２）におけるＸ0及びγの値が、所定の吸収ピーク波長λmに対して、下記式（３）を満たすことを特徴とする。
【０００５】
【数１】
2005265716.tif 000003
（式（１）において、α0及びβは、材料によって定まる定数）
【０００６】
【数２】
2005265716.tif 000004
（式（２）において、０＜γ≦１）
【０００７】
【数３】
2005265716.tif 000005
前記光吸収層は、前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層が素子面内に２次元状に配置されていることが好ましい。
また、前記光吸収層は、前記深さＸの異なる複数の光吸収層を積層しても良く、その場合に、撮像素子を素子面内に２次元状に形成することが好ましい。
【０００８】
さらに、前記撮像素子は、赤色光、緑色光、及び青色光の波長領域に、それぞれピーク波長を有する光吸収層が形成されていることが好ましい。
また、上記目的を達成するため、本発明に係る撮像素子の製造方法は、光吸収層を素子表面から深さ方向に有する撮像素子の製造方法であって、波長λの光に対する吸収係数α（λ）が、厳密にあるいは近似的に、下記式（１）で表される材料を素子材料とし、素子表面からの深さをＸとした場合に素子表面から下記式（２）によって規定される領域に光吸収層を形成するに際し、下記式（３）に基づいて、所望の吸収ピーク波長λmを有する光吸収層を形成することを特徴とする。
【０００９】
【数４】
2005265716.tif 000006
（式（１）において、α0及びβは、材料によって定まる定数）
【００１０】
【数５】
2005265716.tif 000007
（式（２）において、０＜γ≦１）
【００１１】
【数６】
2005265716.tif 000008
本発明に係る上記製造方法において、前記式（２）のＸの値が異なる複数の光吸収層を素子面内に２次元状に形成することが好ましい。
また、本発明に係る上記製造方法において、前記深さＸの異なる複数の光吸収層を積層しても良く、この場合に、得られた撮像素子を素子面内に２次元状に形成することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る上記製造方法において、赤色光、緑色光、及び青色光の波長領域に、それぞれピーク波長を有する光吸収層を形成することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る撮像素子及びその製造方法の実施形態について、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例では、カラー撮像素子について説明し、全実施形態及び全図を通して同様の構成部分には同符号を付し、下記説明において、重複する部分については詳細な説明を省略することがある。
【００１４】
図１は、本発明に係る撮像素子の第１実施形態を示す縦断面図である。図１に示す符号は、１が第１光吸収層、２が第２光吸収層、３が第３光吸収層、４が基板、１０が第１電極、２０が第２電極、３０が第３電極、４０が第４電極、１００が白色光をそれぞれ示している。各電極は左右対称に配置されている。
【００１５】
第１〜第３光吸収層１〜３は、電極間を電気的に分離するために、ｐｎ接合されたｐ形半導体層とｎ形半導体層とから構成されている。基板４がｎ形の場合、第１光吸収層１及び第３光吸収層３はｐ形、第２光吸収層２はｎ形である。一方、基板４がｐ形の場合、第１光吸収層１及び第３光吸収層３はｎ形、第２光吸収層２はｐ形である。このような導電形の異なる領域は、イオン注入あるいは拡散によって形成され、積層構造を有している。
【００１６】
本発明においては、第１〜第３光吸収層１〜３は、波長λの光に対する吸収係数α（λ）が、厳密に下記式（１）に従うか、或いは、下記式（１）によって近似できる材料によって形成される。
【００１７】
【数７】
2005265716.tif 000009
式（１）において、α0及びβは、材料によって定まる定数である。
【００１８】
図示例に使用した材料は、単結晶シリコンであり、単結晶シリコンの光吸収係数α（λ）を波長λに対して対数表示した光吸収係数スペクトルを図２に示す。なお、この実施形態では、材料として単結晶シリコンを選択したが、材料は単結晶シリコンに限定されるものではなく、波長λの光に対する吸収係数α（λ）が厳密にあるいは近似的に上記式（１）で表される材料であれば、どのような材料を選んでもよい。
次に、上記構成において、光吸収層が存在する領域と吸収ピークの感度および波長との関係について説明する。
【００１９】
素子表面からの深さをＸとした場合に、光吸収層が存在する領域をＸ＝Ｘ0±Δとし、この領域を流れる電流を出力とする。この場合、出力電流は、光吸収層で吸収される光強度Ｐ（λ）に比例し、波長λにおける入射光強度Ｐ0（λ）を用いて、Ｐ（λ）は次式（４）で表される。
【００２０】
【数８】
2005265716.tif 000010
上式（４）において、Ｐ（λ）がピークをもつ波長は、下記式（５）を満たす場合である。
【００２１】
【数９】
2005265716.tif 000011
いま、Δ＝γＸ0とすると、式（５）から、下記式（６）が得られる。
【００２２】
【数１０】
2005265716.tif 000012
上式（６）において、λmは吸収ピーク波長であり、式（６）は吸収ピーク波長λmと光吸収層が存在する領域Ｘ0（１±γ）との関係を示している。
したがって、Ｘ0（１±γ）の値を適切に選択することにより、所望の吸収ピーク波長λmを実現することができる。
図示例では、γ＝0.5とし、第１光吸収層１は表面から0.16μm±0.08μmの深さの領域で吸収した光強度を電流に変換する役目を備えている。この電流は、第１電極１０と第２電極２０の間を流れる電流として観測されるため、第１電極１０は表面よりも0.08μmだけ深い位置で第１光吸収層１と接するように設けてある。また、第２光吸収層２は表面からの深さ0.48μm±0.24μmの範囲に、第３光吸収層３は表面からの深さ1.44μm±0.72μm範囲に存在する。
また、上式（６）を上式（４）に代入すると、下記式（７）が得られる。
【００２３】
【数１１】
2005265716.tif 000013
上式（７）において、入射光が白色光である場合、すなわちＰ0（λ）＝constantである場合に対しては、Ｐ（λm）＝constantとなるので、吸収ピークの感度が一定になる。即ち、撮像素子に入射する入射光の波長λにおける入射光強度が一定である場合は、γの値として上記のように一定値を選択することで、ピーク波長λmにおけるＰ（λm）が一定となる。
上記のようにして得られた撮像素子の光強度Ｐ（λ）と波長λとの関係を説明するグラフを図３に示す。図３を参照すれば、３本の曲線が示されているが、短波長側が第１光吸収層１で吸収される光強度、中央にピークを持つ曲線が第２光吸収層２で吸収される光強度、長波長側が第３光吸収層３で吸収される光強度をそれぞれ示している。図３から、すべての曲線のピーク値が一致していることがわかる。
また、ピーク波長を、それぞれ、赤色光領域（Ｒ）、緑色光領域（Ｇ）、青色光領域（Ｂ）に設定し、３原色のスペクトル分解が実現されていることもわかる。各光吸収層のピーク波長を、７００ｎｍ（赤）、５４６．１ｎｍ（緑）、４３５．８ｎｍ（青）に厳密に設定し、各光吸収層で吸収される光強度（感度）を等しくすることも可能であり、色バランスの優れた撮像素子を得ることが可能となる。
【００２４】
次に、本発明に係る撮像装置の第２実施形態について、以下に図４を参照しつつ説明する。図４は第２実施形態の撮像素子を示す縦断面図である。
【００２５】
図４に示す撮像素子は、各光吸収層１〜３が、電極スペースを得るために選択的にエッチングされている点が上記第１実施形態の撮像素子と異なり、第１〜第３光吸収層１〜３の導電形を図１のように変えなくても、電極間が電気的に分離されている。
【００２６】
したがって、第２実施形態の撮像素子は、例えば、第１〜第３光吸収層１〜３が同じ導電形であってもよく、イオン注入や拡散などの製作プロセスを無くし、一種（例えばｐ形）の半導体のエッチングプロセスによってカラー撮像素子を作製することができる。この結果、図４に示す撮像素子の構造では、図１に示した撮像素子の構造よりも工数とコストが低減される。
【００２７】
第２実施形態の撮像素子においても、光強度Ｐ（λ）と波長λとの関係は図３に示した関係が得られ、すべての曲線のピーク値が一致するとともに、ピーク波長を、それぞれ、赤色光領域（Ｒ）、緑色光領域（Ｇ）、青色光領域（Ｂ）に設定して、３原色のスペクトル分解が実現されている。
【００２８】
次に、本発明に係る撮像素子の第３実施形態について、以下に図５〜図７を参照しつつ説明する。図５は、本発明の第３実施形態における撮像素子の平面図を示している。図６、図７は、何れも、図５のＡ−Ａ線断面図（ａ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｂ）に対応する図であるが、図６は上記第１実施形態を利用した形態であり、図７は上記第２実施形態を利用した形態である。
第３実施形態では、存在領域Ｘ＝Ｘ0（１±γ）が異なる複数の光吸収層が、素子面内に２次元状に配置されている。
【００２９】
斯かる構成において、第１電極１０と第２電極２０の問に流れる電流を測定することで、青色（Ｂ）に対する信号が得られる。また、第２電極２０と第３電極３０の問に流れる電流を測定することで、緑色（Ｇ）に対する信号が得られる。第３電極３０と第４電極４０の間に流れる電流を測定することで、赤色（Ｒ）に対する信号が得られる。
【００３０】
図５〜図７に示すように、赤色光、緑色光、緑色光の各々に感度を有する存在領域に光吸収層を各々形成し、それらを２次元状に配置することで、従来のＣＣＤと同じ配列でカラー撮像が可能となる。なお、図５では電極形状が四角形であるが、四角形以外の多角形や丸形など、電極形状に制限はない。
次に、本発明に係る撮像素子の第４実施形態について、図８を参照しつつ説明する。第４実施形態は、上記第１実施形態又は第２実施形態で示した撮像素子を、２次元状に配置したものである。
第４実施形態では、第１電極１０と第２電極２０との間に流れる電流を測定することで、青色光（Ｇ）に対する信号が得られる。また、第２電極２０と第３電極３０との間に流れる電流を測定することで、緑色光（Ｇ）に対する信号が得られる。第３電極３０と第４電極４０との間に流れる電流を測定することで、赤色光（Ｒ）に対する信号が得られる。
図８に示すように、図１若しくは図４に示した構造を有する撮像素子を２次元状に配置することで、図５に示す実施形態よりも画素の集積度を上げることができる。また、カラー画像を撮影する場合に、同じ面に入射した光を深さ方向でスペクトル分解しているので、モアレ縞のない高画質が得られる。
【００３１】
上記の説明では、カラー撮像素子について説明したが、本発明は、３波長同時観測近赤外線カメラ、紫外線・青色光・緑色光の３波長の光をもとに色を識別する紫外線カラー化カメラ等にも適用できるし、４層以上の光吸収層を有する撮像素子にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る撮像素子の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した撮像素子における光吸収係数スペクトルを示すグラフである。
【図３】図１に示した撮像素子に吸収される光強度を示すグラフである。
【図４】本発明に係る撮像素子の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る撮像素子の第３実施形態を示す平面図である。
【図６】図５の縦断面図を示し、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ線に対応する縦断面図、図６（ｂ）は図５のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。
【図７】図５の他の態様の縦断面図を示し、図７（ａ）は図５のＡ−Ａ線に対応する縦断面図、図７（ｂ）は図５のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。
【図８】本発明に係る撮像素子の第４実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：第１光吸収層、２：第２光吸収層、３：第３光吸収層、４：基板、
１０：第１電極、２０：第２電極、３０：第３電極、４０：第４電極、
１００：白色光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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